Тому развитию богатства и цивилизации, которого достигли англичане за последние полвека, крайне способствовало приложение силы парового двигателя к выполнению различных ремесленных задач в помощь ручному труду.
На протяжении большей части истории человечества главным источником тягловой силы были мускулы людей или животных. Иногда в древнем мире с той же целью использовались также сила воды и ветра. Паровой двигатель был следующим крупным шагом вперед. Его влияние на экономическую производительность в XVIII веке было скромным ценность пара как источника энергии в промышленном производстве резко возросла. Пар начал также применяться в транспортной отрасли; со временем паровоз и пароход стали основой крепкой интегрированной мировой экономики. Паровые технологии обеспечили две пятые роста производительности труда в Великобритании. Экономика перестала зависеть от ветра, воды и мускульной силы, при этом количество энергии, которое мог применять каждый рабочий, резко возросло, а с ним возросла и производительность труда.
Первой фазой было макроизобретение Томаса Ньюкомена. Его атмосферный двигатель, или «огненный двигатель», как его называли в XVIII веке, экономил факторы производства неравномерно: в результате его появления произошел резкий скачок спроса на топливо. Первый двигатель Ньюкомена был запущен на угольной шахте в Дадли, где он использовался для откачки воды. Двигатели Ньюкомена было выгодно использовать только на угольных шахтах, где топливо было практически бесплатным и где неравномерное, возвратно-поступательное движение двигателя можно было использовать для того, чтобы поднимать и опускать поршень насоса.
Атмосферный паровой двигатель прекрасно иллюстрирует разницу между тем, что Эдисон называл «вдохновением» и «потом». Источник, вдохновивший Ньюкомена на создание парового двигателя, был необычным: это были научные открытия XVII века. Историки знают несколько случаев применения наушных знаний в ходе промышленной революции, например изобретение хлорсодержащего отбеливателя и добычу щелочных солей из водорослей. Паровой двигатель был самым важным из них. В то время как научные открытия были необходимым условием для изобретения парового двигателя, это условие не было достаточным, то есть научные открытия не вели неотвратимо к паровому двигателю. Для его изобретения потребовалось десять лет исследовательских разработок. Значительная часть научных открытий совершалась в Италии и Германии. Если бы Великобритания не имела каменноугольной промышленности, ей не было бы никакого смысла тратиться на разработку парового двигателя и научные открытия не привели бы в результате к появлению технологии, совершившей промышленную революцию.
Паровой двигатель Ньюкомена был парадоксом: он был одновременно наушным чудом и весьма неэффективным приспособлением. Как только он был построен, инженеры начали исследовать его в попытках усовершенствовать. Процесс усовершенствования двигателя занял полтора века. Эти полтора века были второй фазой развития парового двигателя, в которой приняли непосредственное участие трое знаменитых британских инженеров: Джон Смитон, Джеймс Уатт и Ричард Тревитик. Траектория развития парового двигателя была нейтральной по отношению к факторам производства: экономились все факторы, особенно в случае роторного двигателя. В результате были получены двигатели, экономно расходовавшие топливо и производившие постоянную тягу, которая могла приводить в движение локомотивы, корабли и станки. Когда двигатели дошли до такой высокой стадии развития, технология была принята во всем мире и паровой двигатель распространился по земному шару. Переломный момент наступил в середине XIX века, ближе к концу второй фазы развития изобретения.
Атмосферный двигатель, который Ньюкомен начал использовать на производстве, был двигателем низкого давления. В таких двигателях пар конденсировался, чтобы в цилиндре образовался вакуум, а затем поршень входил в цилиндр под давлением атмосферы. Конструкция двигателя была основана на открытии того, что у атмосферы есть вес, сделанном в XVIII веке и ставшем темой горячих дискуссий среди экспериментальных физиков.
Связь науки с паровым двигателем была самой прямой. Наука началась с Галилея, который открыл, что вакуумный насос не может поднять воду выше примерно 28 футов, несмотря на существование вакуума над колонной воды, уже поднятой на эту высоту. Аристотель говорил, что природа не терпит вакуума, но выше 28 футов это правило, похоже, теряло силу. Галилей предложил Эванджелисте Торричелли, своему секретарю, исследовать эту проблему. В Торричелли перевернул стеклянную трубку, наполненную ртутью, и поместил ее нижнюю часть в емкость с ртутью. Ртуть стабилизировалась в трубке, сформировав столбик высотой 76 сантиметров, над которым был вакуум. Это был первый в мире барометр, и Торричелли заключил, что атмосфера имеет вес и давит на ртуть, заставляя ее двигаться вверх по трубке. Эта идея подтвердилась. Барометр был помещен в большую емкость, из которой был откачан воздух: столбик ртути опустился вниз, а затем поднялся обратно, когда в большую емкость вновь пустили воздух.
Задавайте вопросы нашему консультанту, он ждет вас внизу экрана и всегда онлайн специально для Вас. Не стесняемся, мы работаем совершенно бесплатно!!!
Также оказываем консультации по телефону: 8 (800) 600-76-83, звонок по России бесплатный!
Особенно важная серия экспериментов была проведена Отто фон Герике в Магдебурге. Он соединил два полушария и откачал воздух из образовавшейся полости. Чтобы разнять их, потребовалось шесть лошадей. В ходе другого значительного эксперимента, фон Герике обнаружил, что если откачать воздух из цилиндра А, грузики D будут подниматься вверх по мере того, как атмосфера толкает поршень вниз по цилиндру. Очевидно, что вес воздуха можно было заставить работать.
Эту идею предвосхитил Христиан Гюйгенс, который использовал взрывающийся порох, чтобы двигать поршень вверх по цилиндру. Когда поршень достигал верхушки цилиндра, газы, образовавшиеся в ходе взрыва, высвобождались, создавая вакуум. Воздух заставлял поршень опуститься, а груз — подняться. Хотя с научной точки зрения эксперимент был интересным, взрывающийся порох так и не стал применяться на практике. Однако ассистент экспериментатора, Дени Папен, понял, что того же эффекта можно достигнуть, если наполнить цилиндр паром, а затем сконденсировать этот пар. Папен сконструировал первый, очень несовершенный, паровой двигатель.
Впервые паровая технология была использована на практике в паровом вакуумном насосе Томаса Севери, запатентованном. Насос создавал вакуум путем конденсирования пара в резервуаре; получившийся вакуум затем всасывал воду. Устройство Севери использовалось для осушения шахт, но не получило широкого применения и не было паровым двигателем.
И все же научно-исследовательский проект
Первый успешный паровой двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом. Как и устройство Севери, он предназначался для осучнения шахт. Изобретение Ньюкомена основывалось на открытии того факта, что у атмосферы есть вес. Однако для того, чтобы использовать это открытие на практике в виде парового двигателя, потребовалась длительная научно-исследовательская работа. Таким образом, появление изобретения было результатом экономических усилий, а не только побочным результатом научного открытия.
Хотя двигатель Ньюкомена отличался от других изобретений XVII века тем, что появился в результате научного открытия, его появление, точно так же, как и других изобретений, было связано с немалыми инженерными сложностями. Инженеры XX века, в виде эксперимента пытавшиеся построить двигатель Ньюкомена, с трудом могли заставить свои модели работать. То, что Ньюкомен смог справиться с этими инженерными сложностями, было выдающимся достижением. Он начал экспериментировать около, очевидно, построил двигатель в Корнуолле, на два года раньше, чем свой знаменитый двигатель в Дадли.
За эти десять лет научно-исследовательской работы Ньюкомен многое узнал. Он случайно открыл, что пар можно сконденсировать быстрее, если выпрыскивать в цилиндр холодную воду. Он обнаружил, что резервуар подачи воды для инжектора работал лучше всего, будучи помещенным сверху корпуса двигателя, чтобы вода входила в цилиндр под давлением. Труба, по которой сконденсированная вода вытекала из цилиндра, должна была тянуться до приемника конденсата достаточно далеко, чтобы атмосферное давление не могло подтолкнуть конденсат обратно в двигатель. Верхнюю часть цилиндра нужно было запереть слоем воды: никакие другие способы не работали. Для гладкой работы двигателя необходимо было скоординировать размер и вес поршня и насоса. Соединения между балансировочной перекладиной и клапанами должны были быть сконструированы так, чтобы автоматически открываться и закрываться в нужные моменты цикла. Неудивительно, что Ньюкомену понадобилось десять лет, чтобы создать рабочую модель своего двигателя. С точки зрения времени и денег это было весьма затратное предприятие.
Как многие ученые-практики, Ньюкомен надеялся, что его изобретение окупится, когда будет запатентовано. Однако тут его ждало разочарование, потому что патент Севери имел срок годности и покрывал двигатель Ньюкомена — двигатель совершенно на него не похожий! Чтобы получить хоть какую-то прибыль, Ньюкомену пришлось вступить в сделку с владельцами патента Севери.
Техническое усовершенствование, выгодное только британцам
Затратность научно-исследовательской деятельности означала, что связующим звеном между Галилеем и Ньюкоменом была экономика. Возможно, наушного любопытства и покровительства двора было вполне достаточно для Торричелли, Бойля, Гюйгенса и других ученых, тративших время и деньги на изучение давления воздуха. Однако Ньюкоменом в его изысканиях руководила перспектива финансовой выгоды. Что это была за выгода? Двигатель предназначался для осушения шахт, так что спрос на технологию определялся объемом горнодобывающей промышленности. Англия с огромным отрывом лидировала в этой отрасли: в ней производилось 8о% от общей массы добычи ископаемых в Европе, и 59% от общей стоимости. Германия, европейский центр каменноугольной промышленности в период Позднего Средневековья, производила только 4% от общей массы полезных ископаемых и от общей стоимости. Ситуация изменилась благодаря каменному углю. Удовлетворение нужд английской угольной промышленности по осушению шахт — вот одна из причин того, что исследования парового двигателя велись именно в Англии.
Каменный уголь был важен также и по другой причине. Поскольку существовали альтернативные способы приведения насосов в движение,— водяные колеса или лошадиные упряжки — чтобы пользоваться спросом, паровая энергия должна была быть дешевой. Ранние паровые двигатели так расточительно потребляли топливо, что могли быть дешевыми источниками энергии только в том случае, если топливо стоило копейки. Дезагю лье, ранний энтузиаст паровой энергии, весьма емко описал ситуацию; «Но там, где для производства энергии нет воды, а каменный уголь стоит дешево, наиболее эффективно служит механизм, называемый «огненным двигателем», или двигателем, поднимающим воду с помощью огня. Особенно огромную службу он может сослужить в угольных шахтах, где энергия огня производится из отбросов каменного угля, которые в противном случае нельзя было бы продать». Ньюкоменов двигатель был не нейтральным технологическим усовершенствованием: он сдвинул спрос на факторы производства, уменьшив спрос на корм для животных и увеличив спрос на горючее топливо.
Наличие бесплатного топлива помогало справиться с проблемой высокого потребления топлива, но энергозатратность двигателя Ньюкомена ограничила сферу его использования угольными месторождениями. Поскольку большинство угольных шахт находилось в Великобритании, там же находились почти все двигатели. Когда закончился срок действия патента Северн Ньюкомена, в Англии действовало около ста атмосферных двигателей. Общее количество двигателей в Великобритании возросло до двух с половиной тысяч, из них 60-70% были двигателями Ньюкомена. Бельгия, крупнейший производитель каменного угля на континенте, была второй после Великобритании: у бельгийцев было приблизительно сто двигателей. Затем шла Франция, в которой было около семидесяти двигателей, из них сорок пять, вероятно, были двигателями Ньюкомена (установленными преимущественно на угольных шахтах), а двадцать пять — двигателями Уатта. До XIX века машины настолько ассоциировались с каменноугольной моделью, в рамках которой они появились, что им трудно было выйти за ее пределы. Распространение двигателей Ньюкомена определялось расположением каменноугольных шахт, и Великобритания была лидером по количеству двигателей благодаря объему своей угольной промышленности, а не благодаря повышенной рациональности.
Схема распространения Ньюкоменова двигателя указывает на то, что атмосферный двигатель не мог быть изобретен нигде, кроме как в Великобритании в XVIII веке. Другие страны не брали двигатель на вооружение не потому, что не знали о нем: двигатель Ньюкомена был широко известен как технологическое чудо своего времени. Достать необходимые запчасти было несложно, и несложно было убедить английских механиков приехать и собрать их. Несмотря на это, двигатель использовался мало. Маленький рынок двигателей означал, что потенциальный доход разработчика был бы невелик и нечем было бы уравновесить издержки научно-исследовательской деятельности. Наиболее вероятной альтернативой Великобритании могла стать Бельгия, владевшая крупнейшей каменноугольной отраслью на континенте. Однако в Бельгии производилось только 13% от количества каменного угля, производившегося в Великобритании, и количество паровых двигателей в Бельгии составляло 4% от общего их числа в Великобритании. Соответственно, соотношение прибыли и издержек для Ньюкомена было больше, чем для любого возможного подражателя с континента. Размер рынка влияет на предрасположенность к проведению научно-исследовательской деятельности. Ньюкомен должен был знать о весе атмосферы для того, чтобы сконструировать свой двигатель, но чтобы сделать строительство этого двигателя выгодным предприятием, он также нуждался в рынке. Это условие выполнялось только в Великобритании, и именно поэтому паровой двигатель был создан там, а не во Франции, Германии или даже Бельгии.
Вторая фаза: полтора века усовершенствований
Паровой двигатель Ньюкомена был прорывной технологией своего времени, но с нашей точки зрения он был примитивным устройством. Он потреблял огромное количество топлива,— и поэтому, разумеется, его имело смысл разрабатывать только в Великобритании — и при этом возвратно-поступательный принцип делал получаемую тягу слишком неравномерной для того, чтобы она могла приводить в движение станки. Как инженеры справились с этими проблемами, мы обсудим позже. Вначале двигатель Ньюкомена годился только для того, чтобы качать воду. Полтора века спустя эти ограничения были сняты, и усовершенствования британских инженеров сделали паровую энергию экономически эффективной во многих странах, в которых раньше она была слишком дорогой. Они также сделали паровую энергию эффективной для выполнения задач, для которых раньше дешевле было использовать тягу ветра, воды или животных.
Процесс технических усовершенствований двигателя существенно отличался от прорыва, совершённого Ньюкоменом. Первое отличие касается «вдохновения». Прорыв Ньюкомена основывался на научных открытиях XVII века, однако после этого прорыва наука не производила полезных новых знаний вплоть до наступления XIX века. Труд не был опубликован и не сразу получил известность. Паровые двигатели развивались по мере того, как инженеры пробовали менять конструкцию, чтобы улучшить ее работу. Процесс их развития был обучением в производстве.
Второе отличие касается факторов производства. Изначально атмосферный двигатель увеличивал спрос на капитал и каменный уголь. В течение полутора веков после его появления роторные двигатели развивались в сторону экономии и капитала, и угля (прогресс был, иными словами, нейтральным по отношению к факторам производства), а паровые поршневые двигатели развивались преимущественно в сторону экономии только угля. Развитие в секторе паровых поршневых двигателей отражало новые ценовые стимулы, возникшие в особых обстоятельствах на медных и оловянных шахтах в Корнуолле, где каменный уголь был относительно дорогим. Нейтральное развитие роторных двигателей было результатом обучения в производстве, которое, как правило, направлено на экономию всех факторов производства. Третьим отличием было то, что в ходе усовершенствования двигателя изобретатели постоянно ушились друг у друга, так что изобретение часто носило коллективный характер даже тогда, когда кто-то пытался защитить нововведение патентом.
Усовершенствования в конструкции двигателя были направлены на экономию топлива. Ранние паровые двигатели Ньюкомена потребляли около 45 фунтов каменного угля на одну лошадиную. Этот показатель был снижен до менее одного фунта у наиболее эффективных морских двигателей, созданных в XIX веке. Точки на графике представляют новые конструкции, а не самые распространенные модели. Самого заметного абсолютного усовершенствования двигатели Ньюкомена достигли в XVIII веке. Совсем мало известно о сокращении энергопотребления с 45 до 30 фунтов на лошадиную силу-час, отмеченном. Однако мы знаем, что разные двигатели имели очень разные показатели энерго-эффективности. Джон Смитон, например, изучил пятнадцать атмосферных двигателей, действовавших в районе Ньюкасла, и обнаружил, что потребление угля варьируется от 22 до 76 фунтов на лошадиную силу-час. Информация такого рода не слишком тщательно охранялась от посторонних, что подтвердил Смитон, успешно собрав все интересовавшие его данные. Подобная открытость укоренилась давно: еще Дезагюлье и Бейтон собрали и опубликовали подробные технические данные об оригинальной конструкции Ньюкомена. В такой обстановке инженеры могли сравнивать успехи друг друга, учиться друг у друга и усовершенствовать изобретения.
Частная инициатива, однако, тоже имела немалое значение. Так, сокращение потребления топлива с 30 до 17,6 фунтов на лошадиную силу-час в период с произошло благодаря усилиям Смитона. Он экспериментировал с моделью двигателя и отладил каждую его деталь так, чтобы достичь максимальной эффективности. Он относился к этой исследовательской деятельности, скорее, как к научному поиску, а не как к достижению, которое можно запатентовать (конечно, при этом Смитон был экспертом по инженерным вопросам и, повышая свой профессиональный престиж, он одновременно повышал и спрос на свои услуги). Усовершенствованные двигатели, построенные им на угольной шахте в Лонгбентоне, в графстве Нортумберленд, и на шахте в городке Чейсуотер, что в Корнуолле, были образцами самой передовой практики своего времени.
После этого эффективность двигателей Ньюкомена почти не росла. Следующий рывок в сокращении потребления топлива произошел с изобретением отдельного конденсатора Джеймсом Уаттом. Уатт читал литературу о паровых двигателях и проводил эксперименты с давлением пара. Университет Глазго нанял его, чтобы починить модель двигателя Ньюкомена. Уатт заметил, что впрыскивание холодной воды охлаждало цилиндр, который затем вновь нагревался по мере заполнения паром. Он провел эксперименты и рассчитал количество энергии, необходимой для перехода воды из газообразного в жидкое состояние. Уже впоследствии Уатт узнал о теории латентного тепла, которую доктор Джозеф Блэк, тоже сотрудник Университета Глазго, сформулировал примерно. Уатт понял, что потери энергии при охлаждении цилиндра можно избежать, выведя пар во вторую камеру, где он будет охлаждаться. Так появился отдельный конденсатор. Уатт был занят строительством нескольких двигателей Ньюкомена, к экспериментам на моделях двигателей и, наконец, построил прототип двигателя с отдельным конденсатором, который и запатентовал.
Карьера Уатта является типичным примером того, как частная научно-исследовательская деятельность становится основой технического прогресса. Изобретение отдельного конденсатора и долгий поиск инженерного решения для производства коммерческого продукта требовали существенных усилий и финансовых затрат. Уатт попытался получить прибыль с этой инвестиции, запатентовав отдельный конденсатор. После этого Джеймс Уатт перестал способствовать развитию поршневого парового двигателя.
Сотрудничество между корнуольскими шахтами позволило эффективно снизить потребление топлива паровыми двигателями. В корнуольские двигатели ничем не отличались от остальных двигателей Уатта и сжигали чуть меньше ю фунтов каменного угля на лошадиную силу-час. К середине среднестатистический двигатель сжигал 3,5 фунта угля на лошадиную силу-час, а лучшие двигатели — менее двух фунтов. Этот прогресс произошел благодаря длинной цепочке нововведений. Первым из нововведений стал паровой двигатель высокого давления, впервые построенный Ричардом Тревитиком, долгое время бывшим источником раздражения для Уатта. В двигателях высокого давления пар под давлением около 25 фунтов на квадратный дюйм впрыскивался в цилиндр, и сила этого пара приводила в движение поршень. (В двигателе низкого давления пар, наоборот, вначале наполнял цилиндр, а затем конденсировался, и давление атмосферы заставляло поршень заполнить образовавшийся вакуум.) Двигатели высокого давления экономили топливо и капитал; они весили меньше двигателей низкого давления. Именно они со временем стали использоваться на паровозах и пароходах. Идея использования пара под высоким давлением была не нова - в Уаттовом патенте о ней говорилось - но Тревитик был первым, кто применил ее на практике. Для использования пара высокого давления требовались котлы высокого давления, и Тревитик разработал одну из первых успешных моделей такого котла.
Вторым новшеством было использование свойства пара увеличиваться в объеме. В двигатель высокого давления можно было продолжать впрыскивать пар до тех пор, пока поршень не достигал конца цилиндра, таким образом, достигалась максимальная скорость и мощность. Или же можно было остановить приток пара несколько раньше и позволить давлению пара, уже находящегося в цилиндре, дожать поршень до конца. Меньшее количество пара означало, что сжигалось меньше каменного угля, но давление падало по мере продвижения поршня, что приводило к неравномерной работе двигателя. Эта проблема была решена с появлением плунжерного насоса: третьего важного новшества, также изобретенного Тревитиком. Четвертым ключевым новшеством был «захлопочный клапан с двойным ударом», позволявший точно контролировать пар во время увеличения в объеме таким образом, чтобы преобразовывать максимальную энергию в механическую тягу.
Изобретателем захлопочного клапана был Артур Вульф, и ему же принадлежит последнее главное новшество, внедренное в корнуольские двигатели: использование двух цилиндров. Хорнблоуэр запатентовал эту идею, но на практике она не применялась. Работая в партнерстве с Генри Харви, Вульф объединил два цилиндра с паром высокого давления и получил компаундную паровую машину, которая начала продаваться. Харви и Вульф подняли топливную эффективность на небывалый уровень. По сравнению с первоначальной конструкцией Ньюкомена прогресс был огромным. Ограничение на использование паровых двигателей — в Великобритании в начале XVIII века они применялись только для осушения шахт— было преодолено. Теперь паровые двигатели стало выгодно использовать буквально везде.
Откачка воды была только одним из возможных способов использования паровой тяги. Другой областью ее применения стали мануфактуры, а впоследствии — транспорт. Двигатель Ньюкомена в этом отношении имел крупный недостаток. Качающееся движение коромысла, идеально подходившее для того, чтобы поднимать и опускать насос, часто было неравномерным: поршень останавливался в верхней точке, сначала ожидая, пока цилиндр наполнится паром, а затем пока пар сконденсируется. Тяга производилась только тогда, когда атмосфера двигала поршень вниз, но не на возвратном ходу, который достигался за счет противовеса коромысла и отрицательной тяги механизма. Эти конструктивно обусловленные особенности двигателя Ньюкомена означали, что он не мог производить равномерную тягу, необходимую для приведения в движение станков. Контраст с водяным колесом, которое вращалось непрерывно и широко использовалось как источник тяги для станков, был разительным.
Первым решением этой проблемы стало объединение двигателя Ньюкомена с тягой воды. Ручьи, зимой достаточно полноводные, чтобы приводить водяное колесо в движение, летом часто высыхали, и производство останавливалось. Выходом из положения было использование двигателя Ньюкомена, который откачивал воду, прошедшую через водяное колесо, назад в резервуар выше по течению, чтобы она могла вновь пройти через колесо. Впервые это конструктивное решение было использовано в Колбрукдейле, а десятью годами позже — на медном заводе в Уормли. Такие «возвратные двигатели» широко использовались. Обычно об этой технологии говорят как о дополнении несовершенной тяги воды паровыми двигателями, но ее можно рассмотреть и как дополнение несовершенного двигателя Ньюкомена водяной системой, позволяющей производить равномерную вращательную тягу. Кроме того, дополнив двигатель Ньюкомена водяным колесом, можно было сократить расход каменного угля на лошадиную силу-час за счет использования большего количества капитала.
Траектория двигателя Ньюкомена описывает результат комбинирования парового двигателя и водяного колеса, так что потребление угля зависит от предположительной эффективности водяного колеса и (что более важно) от доли воды, откачиваемой двигателем, в ежегодном объеме потока. Тут мы вновь сталкиваемся с Джоном Смитоном. В его нанял на работу чугуноплавильный завод в Сикрофте, чтобы построить паровой двигатель, который вместе с водяным колесом приводил бы в движение заводские воздуходувки. Смитон изучил старое водяное колесо, стоявшее на ручье, чтобы определить, сколько оно производит энергии и какой в ручье поток воды в разные времена года. Он решил, что паровой двигатель должен прокачивать одну треть ежегодного потока, преимущественно в летний период. Результат оказался очень эффективным. Однако чаще встречалось использование парового двигателя для перекачивания половины потока ручья в течение года и использование черпакового колеса, менее эффективного, чем установленное Смитоном средне-бойное колесо. В XVIII веке потребление топлива стало в разы эффективней благодаря усовершенствованиям, внесенным в конструкцию атмосферных двигателей.
Были предприняты первые попытки напрямую использовать паровой двигатель Уатта для приведения в движение станков. Двигатель Уатта страдал от того же недостатка, что и двигатель Ньюкомена: он производил неравномерную тягу. В Мэтью Уосбороу запатентовал решение этой проблемы, добавив к двигателю маховик, а в следующем году Джеймс Пиккард запатентовал использование колена для соединения двигателя с передаточным валом фабрики.
Однако по-настоящему революционные прорывы в этой области были сделаны самим Уаттом. Уатт неохотно взялся за предложенную проблему, только по просьбе Боултона, писавшего ему: «Второго Корнуолла не существует, и наиболее вероятная область применения наших двигателей - использование их на фабриках, что, несомненно, является обширным полем для деятельности». Вначале Уатт перестроил клапаны таким образом, чтобы пар можно было впрыскивать по очереди в каждый конец цилиндра и выпускать в конденсатор. Благодаря этому тяга создавалась при каждом ходе поршня, и двигатель оказывал двойное действие. Двойное действие производило более равномерный поток тяги. Затем Уатт заменил цепь, связывающую поршень с коромыслом, системой рычагов, «механизмом параллельного движения», который позволял поршню не только тянуть коромысло, но и толкать его. Чтобы избежать пересечений с патентом Пиккарда, для вращения приводного вала использовалась планетарная зубчатая передача. Плюсом такой конструкции было то, что планетарная передача удваивала скорость вращения передаточного вала фабрики. Наконец, с паровым клапаном был соединен центробежный регулятор, использовавшийся до этого на ветряных мельницах; таким образом, была стабилизована скорость двигателя.
В результате всех этих нововведений получился роторный двигатель, который годился для приведения в движение станков. При этом он не был так же экономен в расходе каменного топлива, как поршневой двигатель простого действия: роторный двигатель сжигал 12-15 фунтов угля на лошадиную силу-час, а простой поршневой двигатель—8 фунтов. Двигатель Ньюкомена в сочетании с водяным колесом сжигал 15 фунтов угля на лошадиную силу-час, хотя показатель варьировался от двигателя к двигателю в зависимости от доли прокачиваемой воды в годовом потоке.
Чтобы создать рынок для своих двигателей, Боултон и Уатт обхаживали ведущих промышленников. Они инвестировали средства в Albion Mill, первую крупномасштабную паровую фабрику, чтобы сделать своим двигателям рекламу. Джордж и Джон Робинсоны из городка Пэпплуик, недалеко от Ноттингема, стали первыми владельцами хлопкопрядильного завода, установившими на производстве двигатель Уатта. Боултон и Уатт продали 308 двигателей для приведения в движение станков и еще 24 для приведения в движение воздуходувок.
Паровая энергия стала больше использоваться в начале XIX века, но она все еще уступала по популярности суммарной энергии воды и ветра. Объяснить медленное распространение паровой энергии в хлопковой промышленности — важная задача для историков этой технологии. Появление роторного двигателя Уатта было громадным рывком вперед, но после появления двигатель не усовершенствовался. Низкое давление оставалось нормой. Следующий шаг вперед требовал внедрения некоторых конструктивных решений, отточенных в Корнуолле: главным образом, технологии использования двух цилиндров и пара под высоким давлением. В роторные двигатели, созданные по этим принципам, позволили сократить потребление каменного угля с 15 до 5 фунтов на лошадиную силу-час. Уильям Макнот запатентовал чертеж коромыслового двигателя в сочетании с цилиндром высокого давления; пар выпускался из нового цилиндра в старый. Такое устройство, получившее название «Магнатов двигатель», позволило уже существующим двигателям начать экономить топливо с помощью использования компаунда и пара под высоким давлением. После этого паровая тяга быстро вытеснила водную и началась повальная механизация британской промышленности.
До сих пор мы рассматривали, как совершенствовались двигатели с точки зрения экономии топлива. А что происходило с другими факторами производства, экономились ли они? Наиболее важными издержками были каменный уголь и капитал. На долю этих двух факторов приходилось по 45% общих издержек, а большую часть оставшихся ю% занимал труд. Графики показывают, как эволюционировали затраты каменного угля, капитальные и общие затраты, необходимые для производства одной лошадиной силы часа энергии. Все количества оценены в ценах, так что пропорциональное сокращение удельных издержек обратно росту общей производительности факторов производства. Реальная стоимость энергии роторных двигателей в середине 1840 годов была примерно в три раза меньше, чем в начале XVIII века, в то время как реальная стоимость энергии поршневых двигателей сократилась примерно наполовину. Эффективность поршневого двигателя удвоилась, а роторного - утроилась.
В случае обоих типов двигателя эволюция технологии устранила отличительное свойство изначальной конструкции Ньюкомена: ее тенденцию заменять каменным углем остальные факторы производства. Восстановление равновесия было особенно заметным в случае поршневых двигателей. Реальная стоимость каменного угля, необходимого для производства лошадиной силы часа энергии, упала на 90% в период, в то время как реальные капитальные издержки сократились совсем незначительно. При этом в случае роторных двигателей реальная стоимость каменного угля и капитальные издержки в расчете на лошадиную силу час сократились в равной пропорции. Эволюция роторного двигателя, таким образом, кажется примером технологического прогресса, нейтрального по отношению к факторам производства.
С точки зрения экономики разные пути развития поршневого и роторного двигателей подчеркивают значение экономических стимулов и институтов.
У Корнуолла было несколько специфических особенностей. Спрос на осушение в регионе был высоким, поскольку шахты в нем были глубокими, а руды в них — ценными. Именно поэтому Севери и Ньюкомен обдумывали возможность продавать свои двигатели в Корнуолле, хотя эта возможность так и не была реализована. В то время как Великобритания в целом была страной дешевого каменного угля, в Корнуолле энергия была дорогой, поскольку уголь приходилось доставлять из Южного Уэльса. Довольно быстро Ньюкомен переключился с Корнуолла на каменноугольные месторождения. В самом деле, только пять из приблизительно ста двигателей Ньюкомена в Великобритании были построены в Корнуолле. Возможно, что Уаттом двигал чисто научный интерес, когда он проводил свои ранние эксперименты с моделью двигателя Ньюкомена в Университете Глазго, но для разработки отдельного конденсатора ему потребовались годы работы и немалые средства. Очевидным рынком для его двигателя был Корнуолл, где отдельный конденсатор экономил дорогой фактор производства — каменный уголь — и делал паровой двигатель экономически выгодным для откачки воды из шахт. Отдельный конденсатор — это еще один пример того, как цены на факторы производства направляют научно-исследовательскую деятельность. В XIX веке история повторилась в другом институциональном контексте, в то время как высокая цена каменного угля продолжала направлять процесс технического прогресса в период коллективного изобретения. Печатались данные по потреблению топлива, потому что каменный уголь дорого стоил и двигатели оценивали согласно их способности его экономить. После первоначального периода использования на угольных шахтах, где энергия замещала другие факторы производства, эволюцией парового двигателя начала управлять экономика Корнуолла. В результате эволюция технологии шла по траектории, позволяющей экономить энергию. В ходе обеих фаз технология реагировала на цены факторов производства.
В отношении роторных двигателей ситуация была несколько иной. Здесь цены на факторы производства играли менее важную роль, поскольку основной проблемой было производство равномерной вращательной тяги. Эта проблема была центральной для технологической эволюции XVIII века. Ключом к прогрессу было обучение в производстве, и открытия совершались путем усовершенствования того, что у изобретателей было под рукой. Очевидным примером является объединение двигателя Ньюкомена с водяным колесом. Другой пример - это нововведения Уатта, который создал свой роторный паровой двигатель. Двойной ход был достаточно простой вариацией простого хода и при этом производил больше почти непрерывной тяги. Замена цепи, связывающей поршень с коромыслом, коленом не была особенным прорывом в механизмах, в которых поршень обеспечивал двухтактную работу. Другие усовершенствования, введенные Уаттом, были вариациями на тему существующих методов, умными, но не слишком глубинными модификациями с целью выровнять выходную мощность парового двигателя. Точно так же использование двух цилиндров вместо одного не могло быть совсем неожиданной идеей для человека, работающего с паровыми двигателями каждый день.
Многие инженеры, строившие паровые двигатели, патентовали свои усовершенствования. Благодаря этому они получали какую-то отдачу со своих усилий, но при этом тормозили работу других изобретателей, которые боялись нарушить их патентные права. Особенно пагуб
но на развитие технологий повлиял Уатт. Однако, несмотря на патенты, изобретения в сфере паровых технологий нередко носили коллективный характер, как, например, в горнодобывающей промышленности Корнуолла. Успешные нововведения одного инженера перенимались и развивались другими. Важным примером здесь служит применение двух цилиндров в роторных моторах. Бенджамен Хикк, владевший литейным заводом в Болтоне, был лидером в этом направлении развития. Чарльз Бейер, конструктор станков для текстильной промышленности и коллега Хикка по оснащению заводов оборудованием, писал: «Двигатель имеет номинальные 40 л. с., и мистер Хикк гарантирует, что он может развивать 90 л. с. с использованием принципа Вульфа». Принципом Вульфа было использование двух цилиндров. Один инженер адаптировал работу другого. Подобный стиль развития обычно приводит к нейтральному (относительно экономии факторов производства) техническому прогрессу, и история роторного парового двигателя это подтверждает.
Распространение парового двигателя
Тот факт, что технический прогресс стал ориентироваться на экономию всех факторов производства в равной степени, оказал глубинное влияние на применение паровых двигателей. Снижение стоимости энергии позволило использовать ее в разных отраслях промышленности и странах. Стационарные паровые двигатели использовались для осушения шахт и обеспечивали энергией заводы и фабрики. Доля паровой энергии стабильно росла, но вода и ветер оставались основными источниками энергии приблизительно.
Только пар обогнал другие источники энергии, и даже в это время доля водяных колес продолжала увеличиваться. Решительный переход на паровую энергию произошел в середине XIX века, после того как компаунд-машины высокого давления позволили снизить ее стоимость. Влияние дешевизны энергии на распространение паровых двигателей можно проследить по распространению знаменитых технологий. Фон Тунцельманн к примеру, показывает, что механический ткацкий станок11 и прядение нити высокого номера с помощью прядильной машины периодического действия стали экономически выгодными только в середине XIX века, когда подешевела энергия.
Хотя падение цены энергии было основной причиной того, что область применения пара начала расширяться, это расширение не было равномерным. Усовершенствование технологии происходило благодаря обучению в производстве, а это означало, что знание об усовершенствованиях вначале ограничивалось только той областью, в которой происходило обучение. Инженерам из других географических районов или отраслей требовалось время, чтобы узнать о нововведениях и поверить в их полезность. Из-за этого возникали временные лаги, во время которых очевидно прибыльные изобретения игнорировались. В качестве примера можно привести хлопковую промышленность графства Ланкашир, которая использовала паровые двигатели низкого давления вплоть—еще несколько десятилетий после того, как пар под высоким давлением позволил сократить количество потребляемого топлива в Корнуолле. Обстоятельства «неэкономического» характера (такие как принятый Закон, о десяти часах, ограничивший рабочий день женщин и детей на британских фабриках) были дополнительными факторами, способными вытолкнуть предпринимателей из наезженной колеи.
По мере удешевления пар начал использоваться также в транспортной отрасли. На железных дорогах, разумеется, использовались паровозы, с самого начала оснащенные паровыми двигателями высокого давления. Только такие двигатели были достаточно легкими и эффективными, чтобы приводить в движение поезда. Конструктивные усовершенствования, такие как появление, у паровоза трубного котла, позволяли дополнительно снизить железнодорожные топливные издержки.
В течение пар также заменил парус в мировом торговом флоте. Переход на использование пара происходил постепенно и был тесно связан со снижением количества топлива, потребляемого паровыми двигателями. Весь каменный уголь, используемый британским торговым флотом (крупнейшим в мире), добывался в Великобритании, потому что британский уголь был дешевым и качественным. Соответственно, топливные издержки возрастали по мере удаления от Великобритании, поскольку, чем дальше от дома, тем большая доля грузоподъемности парохода должна была отводиться под топливо. То же самое происходило, даже если уголь приобретался в других странах, поскольку добывался он все равно в Уэльсе, и издержки транспортировки только добавлялись к его уэльской цене. Конечно, пароход двигался быстрее и надежнее, чем парусное судно, поэтому в некоторых областях переход на пар произошел очень быстро. Однако в сфере перевозки крупных грузов решающим фактором была все же величина издержек на тонно-милю, так что первыми перешли с паруса на пар самые короткие рейсы, для которых топливо имело минимальное значение. Пароходы стали использоваться на торговых рейсах между Великобританией и портами Франции и исторических Нидерландов, а пар заменил парус на рейсах в Восточное Средиземноморье, куда было три тысячи миль ходу. К началу пар воцарился на трансатлантических рейсах длиной три тысячи миль, а в конце и на рейсе из Великобритании в Новый Орлеан, пять тысяч миль. Пар заменил парус на торговых судах, курсирующих между Великобританией и Азией. Каждый новый этап распространения парохода наступал в тот момент, когда стоимость транспортировки груза пароходом становилась меньше стоимости транспортировки его парусным судном. Пароход дешевел во многом благодаря усовершенствованию тепловой эффективности паровых двигателей. Эффективность же росла благодаря применению принципов, которые позволили снизить издержки роторной энергии, а именно благодаря использованию дополнительных цилиндров и конденсатора. Вершиной эффективности был двигатель тройного расширения, который сжигал меньше фунта угля на лошадиную силу-час.
Рост эффективности паровых двигателей способствовал их распространению не только по разным секторам экономики Великобритании, но и по всему миру. Железная дорога и пароход с самого рождения были глобальными технологиями. Их было выгодно использовать во многих местах в тот же период, когда они были прибыльны в Великобритании. Пароходы использовались для передвижения по рекам, ими оснащались торговые флоты многих стран (в разы меньшие, чем британский флот) примерно в то же время, когда они стали экономически выгодными для британских фирм. В Западной Европе и Северной Америке железные дороги строились почти так же быстро, как в Великобритании. Даже страны с экономикой низких зарплат, такие как Россия и Индия, в XIX веке построили обширные железнодорожные системы.
Рост эффективности сделал паровой двигатель основным источником двигательной тяги в британской горнодобывающей и обрабатывающей промышленности середины XIX века, и он же привел к повсеместному внедрению пара в Западной Европе и Северной Америке. Действительно, только во второй трети XIX века мощность паровых двигателей резко возросла и пар начал играть важную роль в качестве промышленного источника энергии. Сразу после появления роторных паровых двигателей с двумя цилиндрами, которое резко сократило стоимость паровой энергии, пар был взят на вооружение обрабатывающей промышленностью за пределами Великобритании.
Стационарный паровой двигатель начал широко использоваться на американских мануфактурах не раньше середины XIX века, тогда же, когда и во Франции с Германией. Однако американцы продемонстрировали недюжинное инженерное мастерство, так рано начав разрабатывать паровую машину. Пар был революционной технологией, поэтому с ним экспериментировали во многих странах. К примеру, Кюньо, французский офицер артиллерист, получил задание разработать повозку на паровой тяге, которая могла бы перевозить пушку с поля на поле. Он разработал паровой двигатель высокого давления и водрузил его на трехколесную повозку, которая прославилась тем, что во время одного из ранних экспериментов сшибла целое здание. Проект был заброшен, поскольку повозка использовала огромное количество топлива, а на мокром поле утопала в грязи под собственной тяжестью.
В Великобритании эти проблемы были решены за счет установки парового двигателя на рельсы в угольных шахтах, и этот успешный опыт привел инженеров напрямую к созданию железной дороги. Другим решением дорожной проблемы было помещение двигателя на корабль, и во многих странах велись соответствующие эксперименты. Впервые пароход получил широкое коммерческое применение в США в результате объединения двух разработок. Первой разработкой был паровой двигатель высокого давления, самостоятельно созданный Оливером Эваном, Эван пытался использовать свой двигатель на наземном транспортном средстве, но преуспел в этом не больше других изобретателей. Зато использование двигателя на водном транспорте оказалось успешным. Экспериментальные паровые двигатели создавались во Франции в конце XVIII века, и возможно, что американский изобретатель Роберт Фултон видел их. Он установил двигатель Боултона Уатта на корабль, ходивший по реке Гудзон. Так было положено начало первому коммерческому пароходному рейсу, Нью-Йорк-Олбани. В первый пароход отплыл из Питтсбурга в Новый Орлеан. Пароходы начали ходить по рекам Огайо и Миссисипи. Спрос на транспортные услуги был огромным, реки были свободны, а обширные леса служили источником дешевого топлива. Конструкция парохода быстро развивалась, становясь одним из первых выдающихся примеров изобретательности американских инженеров. Только к середине XIX века стационарные паровые двигатели в США стали массово использоваться как промышленные силовые установки — это применение основывалось на двигателе Корлисса, американской усовершенствованной версии парового двигателя высокого давления, но независимое изобретение парового двигателя высокого давления и способа его использования на речном транспорте было технически и коммерчески самой успешной зарубежной реакцией на британские изобретения.
Изобретение Ньюкомена наделило Великобританию мощным конкурентным преимуществом, поскольку сокращало британские издержки, увеличивая долю ресурса, бывшего в Англии и Шотландии дешевым и обильным. Современная Бельгия была единственной страной за пределами Великобритании, у которой было сравнимое с британским преимущество. Однако преимущество Великобритании было сведено на нет, когда технический прогресс стал, направлен на экономию всех факто
ров производства в равной степени, и инженеры сумели снизить потребление каменного угля паровыми двигателями. Паровые двигатели стало экономически выгодно применять в разных сферах и, что еще более важно, в странах, где энергия дорого стоила. Более того, устранение конкурентного преимущества Великобритании сделало выгодным делом распространение промышленной революции по Европе и Америке.
В ресторане за один столом сидела две мамы и столько-же дочерей. Официант подал к столу три кофе, и при этом всем досталось по чашке. Как это возможно?
Статью подготовила ведущий эксперт-экономист по бюджетированию Ошуркова Тамара Георгиевна. 
